Тема 3.2 Постоянный электрический ток.

Постоянный электрический ток, сила и плотность тока. Электронная теория проводимости металлов. Закон Ома.

Работа электрического тока. Сопротивление проводников. Сверхпроводимость. Электродвижущая сила.

Разветвленные цепи; правила Кирхгофа.

 

 

Постоянный электрический ток, сила и плотность тока. Электронная теория проводимости металлов. Закон Ома.

 

Электрический ток представляет собой упорядоченное (направленное) движение электрически заряженных частиц или заряженных макроскопических тел.

За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если ток создаётся отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Различают электрический ток проводимости, связанный с движением заряженных частиц относительно той или иной среды (т.е. внутри макроскопических тел), и конвекционный ток – движение макроскопических заряженных тел как целого (например, заряженных капель дождя).

О наличии электрического тока в проводниках можно судить по действиям, которые он производит: нагреванию проводников, изменению их химического состава, созданию магнитного поля. Магнитное действие тока проявляется у всех без исключения проводников; в сверхпроводниках не происходит выделения теплоты, а химическое действие тока наблюдается преимущественно в электролитах.

Физической характеристикой тока является сила тока. Сила тока характеризует заряд, протекающий через поперечное сечение проводника в единицу времени:

.

Сила тока – интегральная количественная величина, т.к. характеризует заряд, проходящий через любое сечение проводника – большое или какое-либо малое:

.

В СИ: ; .

Плотность тока. Дифференциальной характеристикой тока является вектор плотности тока . Его модуль численно равен силе тока, проходящего через единицу сечения проводника:

В СИ: .

Электронная проводимость металлов

Электронная проводимость металлов была впервые экспериментально доказана немецким физиком Э.Рикке в 1901 г. Через три плотно прижатых друг к другу отполированных цилиндра — медный, алюминиевый и снова медный — длительное время (в течение года) пропускали электрический ток. Общий заряд, прошедший за это время, был равен 3.5·10⁶ Кл. Поскольку массы атомов меди и алюминия существенно отличаются друг от друга, то массы цилиндров должны были бы заметно измениться, если бы носителями заряда были ионы.

Результаты опытов показали, что масса каждого из цилиндров осталась неизменной. В соприкасающихся поверхностях были обнаружены лишь незначительные следы взаимного проникновения металлов, которые не превышали результатов обычной диффузии атомов в твердых телах. Следовательно, свободными носителями заряда в металлах являются не ионы, а такие частицы, которые одинаковы и в меди, и в алюминии. Такими частицами могли быть только электроны.

Прямое и убедительное доказательство справедливости этого предположения было получено в опытах, поставленных в 1913 г. Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси и в 1916 г. Т. Стюартом и Р. Толменом.

На катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга (рис. 3.17). К концам дисков с помощью скользящих контактов присоединяют гальванометр.

Рисунок 3.17 – О пыт Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси

Катушку приводят в быстрое вращение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы будут некоторое время двигаться вдоль проводника по инерции, и, следовательно, в катушке возникнет электрический ток. Ток будет существовать короткое время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц прекращается.

Направление тока говорит о том, что он создается движением отрицательно заряженных частиц. Переносимый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т.е. . Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за все время существования тока в цепи, удалось определить отношение . Оно оказалось равным 1, 8·10¹¹ Кл/кг. Эта величина совпадает с отношением заряда электрона к его массе, найденным ранее из других опытов.

Таким образом, электрический ток в металлах создается движением отрицательно заряженных частиц электронов. Согласно классической электронной теории проводимости металлов (П. Друде, 1900 г., Х.Лоренц, 1904 г.), металлический проводник можно рассматривать как физическую систему совокупности двух подсистем:

1. свободных электронов с концентрацией ~ 10²⁸ м^-3и

2. положительно заряженных ионов, колеблющихся около положения равновесия.

Появление свободных электронов в кристалле можно объяснить следующим образом.

При объединении атомов в металлический кристалл слабее всего связанные с ядром атома внешние электроны отрываются от атомов. Поэтому в узлах кристаллической решетки металла располагаются положительные ионы, а в пространстве между ними движутся электроны, не связанные с ядрами своих атомов. Эти электроны называются свободными или электронами проводимости. Они совершают хаотическое движение, подобное движению молекул газа. Поэтому совокупность свободных электронов в металлах называют электронным газом.

Если к проводнику приложено внешнее электрическое поле, то на беспорядочное хаотическое движение свободных электронов накладывается направленное движение под действием сил электрического поля, что и порождает электрический ток. Скорость движения самих электронов в проводнике — несколько долей миллиметра в секунду, однако возникающее в проводнике электрическое поле распространяется по всей длине проводника со скоростью, близкой к скорости света в вакууме (3·10⁸ м/с).

Так как электрический ток в металлах образуют свободные электроны, то проводимость металлических проводников называется электронной проводимостью.

Закон Ома для участка цепи

Законы Ома представляют вольтамперные характеристики цепей.

Рисунок 3.18 – К иллюстрации закона Ома для участка цепи

Закон Ома для участка цепи (рис. 3.18) в интегральной форме установлен экспериментально: сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка:

.                                                                                         (3.58)

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: